鏜削加工中的自激振動與消振-數控機床市場網

您現在的位置（zhì）：車床網> 技術前沿>鏜削加工中的自激振動與消振

鏜削加工中（zhōng）的自（zì）激振動與消振

2015-8-17 來源：數控機床市場網作者：濟寧市技（jì）師（shī）學院劉春英

摘要（yào）：在鏜（táng）削加（jiā）工過程中會產生自激振動，當振動量超過允許的（de）範圍時振動會加劇（jù），影響機床的工作性能，使機床的零部件產生附加動載（zǎi）荷，減少零件的壽（shòu）命。通（tōng）過加深對（duì）自（zì）激振動有關理論（lùn）的分（fèn）析，可以合（hé）理改善刀具鏜杆結構，設計帶有撞擊塊的刀杆（gǎn），起到消振器的作用，穩定切削區加工零件，能夠有效避免鏜削加工中的有害自激振動。

關鍵詞：鏜削（xuē）加工自激振動不（bú）穩定區撞（zhuàng）擊塊衰減速度

自激振動又稱為欠阻尼（ní）振動，是由振動本身運動所（suǒ）產生的阻尼力非（fēi）但不阻（zǔ）止運動，反（fǎn）而將進一步加劇這（zhè）種（zhǒng）振動，在（zài）沒有外激勵作用的情況下，隻在（zài）特定的係統產生由自身激發所產生的（de）一種振動且振動即能保持下（xià）去，簡（jiǎn）稱自振。鏜削加工中的自激振動來自於切削（xuē）過（guò）程中刀（dāo）具與工件之（zhī）間的一種相對振動。產生的振動直接（jiē）影（yǐng）響零件表麵質量、勞動生產率（lǜ）以及機床本身和刀具的壽命（mìng），當振源的頻率與機床的固有頻率或其倍數相等時，機床（chuáng）將發（fā）生共振，使振幅增加。嚴重時（shí）甚至會使運動件損壞，產生強烈（liè）的噪聲。

1　鏜削（xuē）加工中產生自（zì）激振動（dòng）的主要原因（yīn）

主振模態（tài）耦合原理（lǐ）是目前解釋產生自激振（zhèn）動的主要理論。該理論認為刀具與工件相對振動運動，是以質量耦（ǒu）合（hé）的形式在兩個方向上相互關聯的振動組合（兩個自（zì）由度方向的振動）振（zhèn）動時，刀具與工件相對運動的軌跡是順時針方（fāng）向的（de）橢圓形狀；維持振動能量（即切削力的變（biàn）動）僅取（qǔ）決於切削截麵（miàn）的大小變化，而（ér）與振動速度無關。

推（tuī）演振（zhèn）動（dòng）過程表示，切削速度為V，刀尖受力為P，設定刀具與工（gōng）件（jiàn）相（xiàng）對（duì）運動的軌跡是順時針方向（xiàng）B→D→A，切深較大。由切深變化而（ér）引起了切削力的（de）變化（huà）。刀尖沿切削力P同一方向（B→D→A）移動時所受（shòu）到的切削力（lì）比刀尖沿切削力P相（xiàng）反方向（A→C→B）移動時所受到的（de）切削力要大。這樣，在每一循環內，切內削力P對刀具部件做的正功大（dà）於負功，使得振動加強。直到每一循環獲得的能量與（yǔ）消耗在阻尼中的能量平（píng）衡（héng）為止。此後，振動便以一定的振幅持續下去。

2　控製自激振動（dòng）的方法

2.1　坐標聯係原理

建立兩自由度振動的（de）力學模型（xíng），刀具運（yùn）動縱向為X軸，刀具運動橫向為Y軸，切削速度為V，刀尖受力為P並（bìng）於Y軸（zhóu）形成夾角為β，在（zài）切削（xuē）速度為V前方受到係（xì）統剛度。設（shè）工件為（wéi）絕（jué）對剛性，刀具部件同時在X1與X2兩個相互垂直的方向上振動，在K1方向（xiàng）上係統剛度為K1，在K2方向上係統剛度為K2(假設K1＜K2)，與Y軸（通過切（qiē）削刃做（zuò）加工（gōng）平麵的法線，刀具離開（kāi）工件方向上（shàng）為正）的夾角為θ，切削力P方（fāng）向與（yǔ）軸夾（jiá）角為

。經計（jì）算，可求出振動為（wéi）不穩定區的邊界條件，即0＜θ ＜β。也就是說，當振動係統的剛性軸位於力P與軸夾角範圍內為不穩（wěn）定區，係統容易產生振動。應用這個理論，隻要使鏜杆的弱剛性軸方（fāng）向位於力P與軸的夾角範圍以外，就不容（róng）易產生振（zhèn）動了。這就是結構消振的原（yuán）理，亦即坐標聯係原理。

2.2　撞擊式消振（zhèn）原理

消（xiāo）振原理與過程如圖1所示。在（zài）鏜杆內部安裝撞擊塊，成為（wéi）介質阻力。在振動（dòng）過程中要不斷克服介質阻力做功，消耗能量（liàng），振幅就會逐漸減小，振動方程（chéng）解為欠（qiàn）阻尼。建立縱坐標（biāo）為（wéi）振動位移A，橫（héng）坐標為頻率T。開始時為0位移，但當鏜（táng）刀受到的（de）瞬時擾（rǎo）力（lì）激發振動後，從平衡位置0產生位移A1，鏜（táng）杆獲得了位（wèi）能（圖1），處於位移A的負半軸，可用（yòng）a表示；當瞬（shùn）時幹（gàn）擾（rǎo）力消失後，鏜（táng）杆（gǎn）在彈性恢複力的作用下回到（dào）平衡位置上，可用b表示，鏜杆具有最大速（sù）度（dù）Vmax（從圖1的a到b的位置），在這個過程中鏜杆帶動撞擊塊（質量）運動；在（zài）圖1中b位置（zhì）繼續運（yùn）動時，鏜杆和撞擊塊（質量（liàng）M）都具有Vmax，在慣性力和彈性力的雙重作用下，鏜杆（gǎn）繼續離開平衡位置而運動到1中c位置，也（yě）就是振動的最高點，即位移A正半軸。由於鏜杆彈性反抗力的作用，速度由Vmax→0，而撞擊（jī）塊隻受到彈性力的作（zuò）用，因此在最高位置圖1中c時仍具有（yǒu）Vmax，這（zhè）時撞擊塊與鏜（táng）杆離開。當鏜杆由最（zuì）高位置1中c再向平衡位置d運動時，鏜杆與撞擊塊發生碰撞，撞擊塊吸收了鏜杆（gǎn）的動（dòng）能，使鏜杆在經過第3/4個周期後（由圖1的d到e），鏜杆由平衡位置d繼續（xù）振動到最低點（diǎn）e，振幅（fú）明（míng）顯地由A1減小到A2。此過程運動一直往複下去，則使鏜杆振動幅（fú）度逐漸減小。鏜杆振動的衰減速度主（zhǔ）要取決於撞擊的質量M以及撞擊塊與鏜（táng）杆內孔壁的間隙（xì）大小。

3　合理的改善措施

第一，針對不同（tóng）工件材料求出穩定切削區，提高刀具（jù）的（de）抗（kàng）振性改善刀杆的慣性矩（jǔ）、彈性模量和阻尼係數。可采用不同結構鏜杆（gǎn）選擇θ =135°削扁鏜杆或（huò）者是θ =45°削扁鏜杆（gǎn）圓鏜（táng）杆。我們測定（dìng）其動態穩定性，可改變其剛度主軸坐標位置，即改變角θ 。使（shǐ）θ 角從（cóng）0°～180°變化，針對加工工件材質不同、機床不同等因素，尋找該刀具（jù）與（yǔ）工件（jiàn）的穩定切削區，從而消除了自激振動。

第二（èr），針對鏜杆的不同，采（cǎi）用合理撞擊塊消振鏜杆消振。鏜杆上使用的撞擊式消振器主要結構設想（xiǎng），鏜刀（dāo）正（zhèng）常安裝在鏜杆上，但在（zài）鏜刀前部與鏜杆端部加工一定大小和深度的孔槽，用以安（ān）放一定質量M的撞擊塊（kuài），為防止撞擊塊掉落，可以在鏜杆頭部安裝端蓋。這裏需要特別注意控製鏜（táng）杆振動的衰減速度主要取決於撞擊的質（zhì）量以及撞擊塊與鏜杆內孔壁的間隙（xì）大小。

4　結語

采用上述幾項消振措施後，現（xiàn）在該鏜（táng）削加（jiā）工的自激（jī）振動已得到明顯（xiǎn）控製減小消除，加工中的噪聲得到顯著降低。

宏觀來看，刀（dāo）具與工件中（zhōng）產生的自激振動隻是引起機床振動和噪（zào）聲的一個方麵，而機床（chuáng）的振動又有很多種，產生的因素很多（duō）也很複雜，其他如齒輪齧合的振動、主軸的旋轉等都是引起自激振動不可忽略的因素。

投稿箱：
如（rú）果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯係本網編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企推薦（jiàn）

業界視點

| 更多

行業數據

| 更多

博文選萃

| 更多